煤層頂板水探放關鍵技術研究與探討

王 剛，宋雯靜，朱 偉

（1.棗莊礦業（集團）濟寧七五煤業有限公司，山東 微山 277606；2.山東煤炭學會，山東 濟南 250031）

0 引 言

井下物探通?？梢圆扇≈T如音頻電穿透等多種方法，根據《煤礦防治水細則》的要求，采煤工作面應當選擇兩種以上方法，相互驗證[1]，采集數據，分析、處理、解釋數據，形成此成果報告，為工作面回采提供基礎物探資料，若發現斷層、裂隙或者陷落柱等構造充水的，應當采取相應的安全措施；否則，不得回采。物探報告中煤層頂板富水異常區的疏放治理，是對頂板導水裂隙帶范圍內的含水層或者其他水體的一種超前治理，杜絕工作面生產突水的重要措施[1]。

1 頂板水的分類和富水區的判定

1.1 水害類型

水害類型指地表水、孔隙水、巖溶水、斷裂構造水、頂板水、底板水等多種水[2]。

1.2 頂板水

1）開采煤層頂部無采空區積水，即開采煤層上部無已開采的煤層，這時頂板水指的就是煤層頂板含水層對應的水體。

2）正在開采煤層上部煤層已被開采，且采空區內有積水，這時的頂板水指的就是老空水。

這里的頂板水類型的劃分主要以空間分布來劃分的，確定好頂板水的類型，才能為疏放技術提供有力佐證；細分一下水源，頂板水的水源除生產涌水，基本上還是含水層水體為主。

1.3 富水異常區空間層位

1.3.1 物探分析

經物探報告分析，某工作面頂板方向上共存在2 處低阻異常區域為Ⅰ、Ⅱ，Ⅰ區分布在工作面內，距切眼215～290 m，異常高度15～65 m，異常寬度3～53 m；Ⅱ區在工作面內，距切眼300～385 m，異常高度17～80 m，異常寬度5～73 m，見圖1。

圖1 富水異常區域范圍

1.3.2 瞬變電磁探測

1）瞬變電磁法是在地面瞬變電磁法基礎上發展而來的，不同之處為進行的場所不同，礦井瞬變電磁法在井下巷道內進行，而瞬變電磁場呈全空間分布，故全空間效應為礦井瞬變電磁法固有的問題（見圖2）。但此法在探測井下工作面頂底板含水層的含水情況方面具有其自身的優勢，如：施工空間小、指向性強、橫向分辨率高等。

圖2 瞬變電磁半空間與全空間煙圈效應示意圖

2）高阻介質易于通過電磁波，但是對直流電場卻有一定的屏蔽性，煤層作為高阻介質，對TEM 沒有屏蔽性，接收圈接收的信號來自于發射圈周圍全空間巖石電性的綜合反映。故可根據線圈平面的法線方向并結合地質資料加以綜合分析來判定異常體的空間位置。

1.3.3 數據處理

瞬變電磁法即通過對采集到的數據進行去噪處理后計算出視電阻率曲線，再通過時深轉換處理得到各測線視電阻率斷面圖，最后結合礦井地質資料綜合分析各因素劃分出巖層富水區的分布范圍。

查閱礦井瞬變電磁法的應用相關文獻[3-5]，對礦井瞬變電磁法的應用情況得出以下認知：

1）作為時間域電磁感應法的補充和完善，因其在巷道圍巖介質中具有有全空間效應和巷道影響，因此巷道影響下的全空間瞬變電磁場的分布變化規律也是礦井瞬變電磁法的理論基礎。

2）實踐表明為提高瞬變電磁場的強度而采用的通過增加線圈匝數的做法有效的提高了探測信號信噪比，但卻引起了視電阻率計算值偏低且偏離實際情況很大，需進行校正。

3）合理選擇測點位置，采用多次疊加技術有效保證了井下探測質量，避免了由于一些客觀因素對觀測結果產生的影響，同時發射和接收線圈的位置及角度對提高地質應用效果也極為重要。

4）陳強、趙敏等的研究[6-8]表明礦井瞬變電磁法具有其自身優勢如：巷道施工空間對TEM 法限制小、測量方法的選擇更為靈活等。因此，巷道影響下全空間瞬變電磁場正演理論的建立，不僅能擴大此方法的應用領域同時在高滲透應力條件下水與瓦斯突出的預測預報等應用中也前景良好。

2 導水裂隙帶及地層分布

2.1 工作面導水裂縫帶高度

根據參考文獻1 中對《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規范》（以下簡稱《建下規范》）附表6-2 中硬型巖層公式計算導水裂縫帶高度[1]。

公式（1）（《建下規范》附表6-2 公式之一。為增大安全系數，中誤差取+5.6）：

式中：Hli為導水裂縫帶最大高度，（m）；ΣM為累計采厚，（m）；采厚3.5m。

則導水裂縫帶最大高度為：

公式（2）（《規程》附表6-2 中公式之二。參數同前）：

導水裂縫帶高度取公式（1）和公式（2）計算的最大值，即：導水裂縫帶高度47.4 m[1]。

2.2 3 上煤頂部含水層分布

2.2.1 下石盒子組底部砂巖

下石盒子組巖性以厚層雜色泥巖、灰綠色粉砂巖為主，間夾細、中、粗砂巖。下石盒子組底部砂巖以中、細砂巖為主，平均厚度15.5 m，下距3上煤層頂板99.41 m。砂巖成分以石英為主，次為長石，多為泥、鈣、硅質膠結，具裂隙，充填方解石。

石盒子組地層大部地區為上侏羅統地層所覆蓋，埋藏較深。本組上部巖性主要為厚層泥巖、砂質泥巖，因此，難以接受上侏羅統礫巖水的下滲補給。井田內抽水試驗2 次，單位涌水量0.005 5～0.028 3 L/s·m，礦化度0.637 g/L，水化學類型HCO3-·Cl·SO4-Na，富水性弱。因此下石盒子組底部砂巖含水層對本工作面無影響。

2.2.2 煤頂底部砂巖

煤頂部巖性以中砂巖為主，局部相變為粉砂巖、砂質泥巖。砂巖平均厚度26.01 m，泥鈣質、硅質膠結，具裂隙，內充填方解石，局部中砂巖裂隙較發育，單位涌水量0.000 04～0.005 9 L/s·m，水化學類型HCO3-Na·Ca～HCO3·SO4-Na，礦化度0.235～0.842 g/L，富水性弱。

煤頂底部砂巖最大埋深850 m，無露頭，補給條件差，富水性弱，以靜儲量為主。煤頂部砂巖水為工作面回采期間的涌水水源。

2.2.3 太原組第三層石灰巖

3上煤底部主要含水層為太原組三灰，距3上煤層底板平均距離88.44 m，含水層平均厚度9.3 m，富水性不均一。三灰無露頭，補給條件差，以靜儲量為主，充水空間不發育。

2.2.4 奧陶系灰巖

井田內有19 個孔揭露奧灰，最大揭露厚度83.52 m（X6-17 號孔）。其中漏水孔6 個，漏水孔率31.7%。從鉆探取芯觀察，奧灰裂隙發育，充填方解石，有溶蝕現象。單位涌水量為0.003 8～0.561 L/s.m，水化學類型為SO4- Ca·Na、SO4-Na·Ca，礦化度4.677～4.901g/L。

2.3 工作面突水性危險性分析評價

根據礦井2021-1 奧灰水長觀孔，水位-125.7 m計算奧灰突水系數。

根據礦井2021-2 三灰長觀孔，水位-598.5 m計算三灰突水系數。

2.4 鉆孔布置分析

1）異常區最高發育高度為80 m，按照煤層傾角9°計算，發育高度層位約為頂板上79 m，根據煤層頂板含水層分布富水異常區接近下石盒子組底部砂巖含水層；且石盒子組含水層富水性明顯大于3 煤頂板砂巖含水層富水性。

2）導水裂縫帶高度取公式（2）計算的最大值，即：導水裂縫帶高度47.4 m，對應層位為煤頂部約16 m 泥巖底部，泥巖為隔水層，且根據鉆孔分析完整無構造影響，為完整隔水層。

3）施工探放水鉆孔的目的是為了認為形成導水通道，對富水異常區進行疏放，防止推采期間頂板裂隙導通富水區造成突水事故。這里我們就是討論，探放水鉆孔施工是否要穿過富水異常區。

4）根據各規程、細則分析，沒有明確要求穿過富水異常區，但是必須做到物探、鉆探相互驗證；鉆孔作為人為形成的導水通道，施工至下石盒子組含水層，相當于對下石盒子含水層進行疏放，導致含水層周邊的水體匯聚，順著導水通道形成自流水。

5）綜上分析，富水異常區的疏放，應當結合導水裂隙帶發育高度和煤層頂板含水層及巖層含（隔）水性進行綜合分析，穿過含水層并不是最好的疏放手段，極有可能人為形成導水通道，造成對生產的負面影響。在后期資料處理和解釋中，針對本次探測的地質任務的特點，結合相關地質資料并采取相應的技術手段經過全面的分析和處理，大大提高了成果的可靠度。

6）探放水工程作為治理水害的重要手段，各方面都要考慮到，不能大而化之，具體情況具體分析，同樣的基礎資料，不同的分析思路，得到解決問題的方法也不同，局限大大制約了治理的效果。

2.5 防治水措施

1）道低洼點施工水倉，工作面回采前，必須提前形成完善的排水系統和相關設施，保證2 路排水管路。確保工作面排水能力不小于最大涌水量的1.5倍。各排水點準備好備用水泵、接頭，易于連接更換，確保備用泵、開關、并線隨時啟動。加強對沿途臨時水倉、中央水倉水泵及排水管路等設備檢修檢查，完善排水系統，保證排水系統運轉正常。

2）加強工作面初次來壓及頂板初次跨落期間水情水害觀測工作，并在機頭排水點處配備2 臺流量不小于最大涌水量1.5 倍的水泵，1 臺工作，1 臺備用。以便涌水及時排入水溝內。

3）完善避災路線與應急處置措施，加強安全技術措施的貫徹學習和日常警示教育培訓，提高職工安全意識。

3 離層水與頂板水鉆孔的關系討論

3.1 離層水

1）離層水，即離層空腔積水，煤層開采后，由頂板覆巖不均勻變形及破壞而形成。

離層水也是頂板水害類型之一，受威脅的礦井，應提前判斷出離層發育的層位，并采取一定的手段，破壞離層空間的封閉性、預先疏放離層的補給水源或者超前疏放離層水等。

2）一個工作面是否有離層水的形成主要取決于上覆巖層的巖性、富水性、導水裂隙帶的發育高度及導水通道4 個要點。因離層水發生的事故較少，很多單位對離層水的認知比較淺顯；經過長期的開采經驗分析，離層水形成需要一個過程，是一個采空區面積隨回采增加、隔水層巖層發生彎曲變形形成空腔、含水層水量向空腔匯聚、巖層超過形變極限發生斷裂、水量突然涌出的一個過程。

3）因此離層水的形成必須存在含水層、隔水層，分析煤層上部巖層性質，是判斷離層水形成的一個重要手段；礦井地質勘察階段、地質補充勘探施工的鉆孔對分析離層水的形成有非常重要的意義[9]。本次研究的礦井和以往開采經驗分析，經過水文孔等抽放水實驗驗證，3 煤頂板泥巖為隔水層，砂巖為弱富水性含水層；結合煤層上部巖性，具備形成離層水的條件。根據已有回采結束的2 個工作面具體分析，工作面跨度大的，在回采結束3 個月后，采空區積水從密閉墻返水池流出；工作面跨度小的，回采結束接近一年采空區積水從密閉返水池流出；2 個工作面的頂板水都通過前期物探進行探查，且進行鉆探驗證，回采期間并沒有發現采空區有水溢出，說名頂板砂巖含水層為弱富水性，符合水文孔抽水試驗結論，但是回采結束后采空水溢出，應為含水層水匯聚產生，根據水量推測為離層水，但是發生的時間不一樣，主要的影響因素為以下幾方面：頂板巖性的硬度、工作面跨度、推采進度、彎曲下沉帶的形成面積等。

3.2 超前鉆探形成導水通道

1）分析離層水形成的機理，結合形成要素才能對癥下藥，精準治理，物探結果只能為我們提供富水異常區和構造異常區的參考建議，但是卻沒有為我們提供因采動影響而人為形成的水害，是必須要正視的問題。

2）在現在已有的治理手段中，超前疏放是一個有效手段，但是離層水是因為采動過程中形成的，超前疏放就需要通過分析離層水形成的空間形態和空間位置；這就需要從三帶形成理論方面來分析了，離層水的形成主要就在彎曲下沉帶部位，因此我們這里最主要的任務就是分析彎曲下沉帶形成軸部位于工作面位置，并根據冒落帶和裂隙帶發育高度來確定鉆孔施工層位，避免因遠距離施工導致穿透其他強含水層，形成導水通道，給生產帶來重大影響。

3）只做物探而沒有綜合全面分析是片面的，更是不負責任的，物探、以往物探資料、三帶觀測資料、巖層分析等，缺一不可，要效益，我們更應該要安全；以往地質勘探資料為礦井開采提供的是指導意見，高精度物探資料、報告，提供的則是精細化、準確化的地質資料，突水性危險性分析評價做出的總結針對的是全井田范圍內的評價，而針對某一工作面必須單獨進行物探，這就是考慮地質勘探的誤差性。對待水害治理如果只是疲于應付，不能形成自己完整、科學的治理體系，是存在隱患的，成立專業的分析機構是比不可少的，也是大勢所趨。

4 結 論

1）應辯證的看待礦井物探的多解性，即富水區在不同時期存在不同的階段特性，物探工作所獲取的資料是地層、構造及賦存水體在靜態下的反映，而受到井下采掘活動的影響，地應力及地質水文情況均會有不同程度的變化。

2）因物探資料與實際地質資料不能結合分析，非但不能取得治理效果，反而會形成新的隱患，給生產帶來嚴重危害；新技術、新工藝的應用也必須配合新的理念，才能取得好的效果，對今后工程的施工都具有研究價值。

3）水害治理不是一個階段性的工作，而是長期動態的治理方式，水害形成的過程就是我們治理的過程；同一地點的水源經過時間、空間的發酵，形成的水害類型也是不一樣的[10]，先進的治理理念和科學的治理手段充分應用到災害治理中，對煤礦開采現階段具有十分重要的意義。